示意圖：規範場理論描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程，這一過程可以用晶格中超冷原子之間的相互作用及其在晶格中的排布模式來模擬。（製圖：石千惠、梁琰）中國科大研究團隊 供圖
中新網北京11月19日電 (記者 孫自法)記者19日從中國科學院獲悉，中國科學技術大學教授潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、義大利特倫託大學的合作者，最新在量子計算和量子模擬研究獲重要突破：他們開發出一種專用的量子計算機——71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型(Schwinger Model)進行了成功模擬。
Schwinger模型：描述粒子與規範場之間的相互作用和轉化，如正反粒子湮滅產生光子的過程。在特定的勢阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對稱性相同。中國科大研究團隊 供圖
這一量子計算和量子模擬研究領域重要科研成果論文，北京時間11月19日凌晨獲國際著名學術期刊《自然》在線發表。中德意科學家通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到局域規範不變量，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理，從而取得利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。
苑震生教授介紹說，規範場理論是現代物理學的根基，伴隨著規範場理論半個多世紀的發展，科學家們發現各種規範場方程求解的計算複雜度非常高，對超級計算機的數值計算能力形成嚴重挑戰。於是，人們提出開發專用量子計算機——量子模擬器——構建晶格規範場模型，在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控制備目標量子物態，並用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態的相變、量子關聯等性質，獲得待研究規範場模型的各種物理性質。
Hubbard模型：描述光晶格中的超冷原子在相鄰格點上的隧穿過程和同一格點上的原子之間的相互排斥或吸引作用。在特定的勢阱形狀下，一維Hubbard模型與Schwinger模型的群對稱性相同。中國科大研究團隊 供圖
為解決以往的量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法同時產生規範場、物質場的兩個主要問題，中國科大研究團隊開發出獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模擬器中實驗製備了近百個原子級別的規模化量子模擬器，並通過與德意同行合作開展實驗上的精確調控，在71個格點的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點體系的施溫格模型，首次模擬出規範場與物質場之間的相互作用和轉化，並由此觀測到局域規範不變性(驗證了高斯定理)，從而在使用規模化的量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得突破性的進展。
《自然》審稿人評價認為，這項研究工作「是量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要的裡程碑」「該工作同時模擬了物質場和規範場，是相關交叉學科研究的裡程碑」「邁出了模擬晶格規範場理論的真正一步：從實現量子模擬器的模塊到對特定模型的完全模擬」。
苑震生透露，在此次科研突破成果相關工作基礎上，中國科大團隊後續將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他群對稱性的、更高空間維度的規範場模型，並可推廣到遠離平衡態的規範場系統，研究真空衰變、與拓撲角度相關的動力學過程等重要物理難題。
據了解，近年來，潘建偉研究團隊在利用超冷原子產生大規模量子糾纏態進行量子計算、構建拓撲量子計算系統、模擬凝聚態超流模型、模擬人工規範場、開展超冷化學研究等方面取得一系列原創性科研成果，現已成為國際上超冷原子量子計算和量子模擬領域的領跑團隊之一。(完)